Thesis defence of Pierre Tacyniak (CDSI team): Study of a secured wireless acoustic power transfer for medical implants

Pierre TACYNIAK - CDSI team

Direction of the thesis
Skandar BASROUR - Thesis director - Full professor - Université Grenoble Alpes / TIMA
Martial DEFOORT - Co-supervisor - Research project manager - CNRS / TIMA

Composition of the jury
Skandar BASROUR - Thesis director - Full professor - Université Grenoble Alpes / TIMA
Bruno ALLARD - Rapporteur - Full professor - INSA Lyon
Adrien BADEL - Rapporteur - Full professor - Université Savoie Mont-Blanc
Sébastien BOISSEAU - Examinator - Research director - CEA Leti
William Apoutou N'DJIN - Examinator - Research Associate - LabTAU
Martial DEFOORT - Guest - Research project manager - CNRS / TIMA

Title: Study of a secured wireless acoustic power transfer for medical implants.
Keywords: Piezoelectricity, cryptography, continuum mechanics, mechatronics, chaos, wireless power transfer
Abstract: Currently, the medical field’s demand about medical implants, devices implanted inside the human body (pacemakers for instance), is their miniaturization to reduce the psychological and physiological traumas on the patient. As the battery occupies a non-negligible place in the implant, reducing its size would affect the autonomy of the implant. Therefore, new ways of supplying implant have been studied over the past two decades and can be divided into two categories: energy harvesting, opportunistic systems harvesting energy when it is available, and power transfer, using an emitter sending a wave through the human body to power the receiver located in the implant. This latter seems to be the most promising solution due to the higher amount of power transferrable and because the medical field would like to control precisely the moment the power is delivered to the implant. Two power transfer methods are possible, one using electromagnetic waves or one using acoustic waves. On one hand, the acoustic wavelength being smaller than electromagnetic ones enable a more important miniaturization of the transducers thus the implant’s one. Moreover, attenuations occurring in human tissues are in favor of acoustic power transfer, hence, in favor of power transfer for deeply implanted devices. On the other hand, most of the medical implant casings are made of metal which implies Faraday shielding thus blocking electromagnetic waves before they reach the receiver. Finally, regarding safety requirements, it is specified that the power density emitted in the human body have to be limited and the acoustic power transfer is also favored with nearly an order of magnitude of difference with electromagnetic waves. Therefore, we chose to work on acoustic power transfer for this thesis, with the objective to design and optimize an ultrasonic wireless recharging system for medical implant. This latter is made of an emitter and a receiver, both piezoelectric, separated by layers emulating the different human tissues and the casing of the implant. As the thematic is multidisciplinary (acoustics, piezoelectricity and electricity), we began by studying a simplified system composed of two piezoelectric transducers glued on both sides of a 3-mm thick layer of tungsten. This system highlighted several phenomena such as impedance mismatches, creating reflections and potential interferences, or mode coupling between the different layers of material the wave goes through, enabling to amplify the power transfer on a precise frequency interval. This study enabled us to design an acoustic power transfer model working on PSpice and fitting with experimental results. Once the model validated, we performed a parametric study that enabled us to attribute a layer or multiple layers to a resonance. This study showed that the power transfer should be tuned on the implant casing as it does not change from one patient to another. Yet, the safety requirement impose to work with ultrasonic waves at the megahertz range creating two new constraints. First, a natural focalization of the wave forcing the user to align perfectly the emitter and the receiver which would respectively be located outside the human body and inside the medical implant in real life applications thus not visible. Second, the attenuations occurring in material are drastically increased while the safety requirements limits the maximum acoustic input power which made us focus our research on an enhancement of the efficiency. Thereby, we carried out phenomenological studies to optimize the power transfer that enabled us to transfer 190 μW and 310 mV through a 30 mm thick pork shoulder, enough to power a pacemaker or a neurostimulator.

Titre : Étude d’un système d’alimentation sans fils sécurisé pour implants médicaux
Mots-clés : cryptographie, transfert de puissance sans-fil, mécanique des milieux continus, chaos, mécatronique, piézoélectricité
Résumé : Actuellement, le milieu médical souhaite miniaturiser les implants médicaux (pacemaker, par exemple) afin de réduire les potentiels traumatismes du patient. La batterie occupant une place importante dans l’implant, sa miniaturisation impliquerait une réduction d’autonomie. Par conséquent, de nouvelles méthodes pour recharger les implants sont étudiées. Ainsi, le transfert de puissance, reposant sur un système d’émission/réception, semble être la solution la plus prometteuse de par la quantité de puissance transférable et parce que le milieu médical souhaite contrôler précisément l’instant où la puissance est distribuée à l’implant. Deux méthodes de transfert, l’une utilisant des ondes électromagnétiques et l’autre des ondes acoustiques, sont envisageables. D’une part, l’usage des ondes acoustiques permet une miniaturisation plus poussée des transducteurs et des implants du fait de leurs longueurs d’onde bien moins importantes que celles des ondes électromagnétiques. De plus, les atténuations dans les tissus humains, impliquant la possibilité de recharger plus facilement un implant profondément implanté, sont également en faveur de l’acoustique. D'autre part, les ondes électromagnétiques traversent difficilement les parois métallique, matière première des boitiers d'implants, ce qui rend complexe le transfert de puissance par ondes électromagnétiques. Enfin, les normes de sécurité restreignent différemment la densité de puissance maximale émise dans le corps humain favorisant le transfert de puissance acoustique de près d'un ordre de grandeur. Dans le cadre de cette thèse nous avons donc privilégié le transfert de puissance acoustique, avec pour objectif de concevoir et d'optimiser un système de recharge ultrasonore. Ce dernier est composé d'un émetteur et d'un récepteur piézoélectriques séparés par des parois émulant les différentes couches du corps humain et de l'implant. Cette thématique étant pluridisciplinaire (acoustique, piézoélectrique et électrique), nous avons commencé par étudier un système simplifié composé de deux transducteurs collés de part et d’autre d’une plaque de tungstène émulant la paroi de l’implant. Ce système nous a permis de mettre en lumière divers phénomènes physiques tels que des ruptures d’impédance, provoquant des réflexions et possiblement des interférences, et des modes de résonances couplés entre les différentes couches de matériau traversées permettant d’amplifier le transfert de puissance sur une plage de fréquence précise. Cette étude a abouti à la création d’un modèle PSpice fournissant des résultats numériques en accord avec les mesures expérimentales. Le modèle validé, nous avons ensuite mené une étude paramétrique, attribuant à quel(s) composant(s) une résonance correspondait. Ainsi, cette étude nous a permis de mettre en avant la nécessité d’accorder le transfert de puissance à la résonance de la paroi de l’implant, cette dernière ne changeant pas d’un patient à un autre. Les normes de sécurité imposant d’utiliser des ondes ultrasonores à l'échelle du mégahertz, de nouvelles contraintes pour l'application du transfert de puissance entrent en jeu. Ainsi, d’importantes atténuations liées aux matériaux traversés font leur apparition mais également une focalisation naturelle de l’onde. Dès lors, le faisceau acoustique s’affine au point de devoir aligner précisément l’émetteur et le récepteur, respectivement situés à l’extérieur du corps humain et à l’intérieur de l’implant médical dans son application finale. L'ensemble de ces atténuations réduisant la puissance totale transférée alors que les normes limitent la puissance acoustique d'entrée du système, nos recherches se sont orientées vers une amélioration du rendement. Nous avons donc mené une étude phénoménologique afin d’optimiser le transfert de puissance ce qui nous a permis de transmettre 190 μW et 310 mV à travers une épaule de porc épaisse de 30 mm, ce qui est suffisant pour recharger un pacemaker ou un neurostimulateur.